夏垫断裂地表破裂型古地震事件的识别

夏垫断裂地表破裂型古地震事件的识别

1构造-沉积条件夏垫断裂是华北平原区北部的一个重要的东部隐藏活动扰动。它倾向于n50e、倾向于se和坡度为5070。这是北京东部大工厂坍塌和通县突出两个第四纪构造单元之间的边界断裂（图1）。受夏垫断裂正断倾滑运动的影响,大厂凹陷持续沉降,堆积了厚约600-700m的第四系松散沉积物,通县凸起相对隆升,第四系松散沉积物厚度仅300-400m。研究表明,夏垫断裂两侧第四纪下更新统夏垫组的垂直位移达319m,中更新统翟里组139m,上更新统军营组15m(2孔剖面的层形成特征2.1断裂北下盘面东柳河屯1号和2号钻孔位于东柳河屯村东北800m附近的夏垫断裂上、下盘(图1),孔距104m,孔口高差1.9m。1号钻孔位于夏垫断裂北西盘(下盘)的上原始面,距夏垫断裂地表出露点70m,孔深47.2m;2号钻孔位于断裂东南盘(上盘)的下原始面,距断裂地表出露点34m,孔深61m;两孔连线基本上垂直于夏垫断裂走向(图1)。地层年代样品包括细砂、粉砂、粘土在内的热释光样(TL)和灰黑色、黑色木炭、泥炭等2.21人工粉砂质粘土按深度排列,东柳河屯1号钻孔揭露的地层层序和岩性是(图2):(1)0.0～0.7m灰黄色耕作土(表土层),以粉砂质粘土为主,粒状结构,含植物根系。(2)0.7～3.4m褐黄色粉砂质粘土,含黄色锈斑,中部夹薄层粘土质粉砂层。距地表深1.3m和2.9m粘土质粉砂样品(TL-1和TL-2)的热释光年龄分别为距今(4.88±0.39)ka和(8.87±0.69)ka。(3)3.4～4.7m灰黄色粉砂质粘土与粘土质粉砂互层,4.3m深处含锈色薄层泥质条带。(4)4.7～12.2m灰色粘土质粉砂层,底部为砂质粘土。距地表深6m灰黑色粘土样品(夏柳1孔-东柳河屯1号钻孔揭露了夏垫断裂下盘距今(0～34)ka堆积的全新统和上更新统上段两套地层,顶部全新统(Q2.32表土层覆土造林东柳河屯2号钻孔揭露的地层层序和岩性按深度排列如下(图2):(1)0～1.8m顶部灰黄色松散耕作土(表土层);中下部灰黄色粉砂质粘土,含少量灰黑色植物根系,距地表深1.3m灰黑色植物根系样品(夏柳2孔-东柳河屯2号钻孔揭露了夏垫断裂上盘距今0～26ka全新统和上更新统上段连续堆积的两套地层,全新统(Q2.4稳定的同步变化根据钻孔剖面的地层岩性特征、沉积韵律、沉积物颜色和地层年代学等资料,对比区域古气候的变化可知(从两钻孔揭露的沉积物整体特征来看,它们的堆积速率具有从末次冰期间亚冰期、鼎盛期向冰后期迅速减少,并在冰后期趋于稳定的同步变化现象(图3):在末次冰期间亚冰期和鼎盛期早期(距今20～26ka),断裂两侧的沉积物堆积快,速率可达3.6～4.9mm/a;末次冰期鼎盛期晚期(距今17.5～20ka)的堆积速率迅速降低到0.48～1.39mm/a;冰后期(距今0～17.5ka)的堆积速率仅0.4mm/a左右。这种现象不仅表明夏垫断裂上下盘(两钻孔所在位置)具有相同的宏观沉积环境,还表明古气候环境是从寒冷潮湿向温暖干旱转化的,水动力条件也由强变弱,即末次冰期的间亚冰期和鼎盛期早期气候寒冷潮湿,水动力强,沉积物来源丰富,堆积速率大;而鼎盛期晚期到冰后期气候渐趋温暖干旱,水动力变弱,沉积物来源贫乏,堆积速率减小。3夏垫断裂上下盘沉积旋回变化的年代学-质量变化对比东柳河屯1,2号钻孔地层年代学特征可知(图2),断裂上下盘堆积年代相同层位的沉积物岩性、厚度或沉积速率等是有差异的,反映出夏垫断裂上下盘存在着相对的差异升降运动。以沉积环境相对稳定的夏垫断裂下盘地层为标准,两钻孔地层剖面自上而下具有如下显著的差异特征。(1)全新世时期(距今0～10ka),断裂下盘(1号钻孔)除顶部发育着0.7m厚的地表耕作土外,主要堆积了一套褐黄色粉砂质粘土,代表了冰后期气候转暖偏干环境下的细粒堆积。断裂上盘(2号钻孔)全新统在岩性上除深3.5～4.3m的层3与下盘层2相同外,其它层位的沉积物粒度更细,在深1.8～3.5m范围内堆积了粘土层,顶部的耕作土层也厚达1.8m。(2)晚更新世晚期(距今10～26ka)断裂下盘发育了由含砾中细砂层、粉砂和粉砂质粘土等组成的2个沉积旋回(A1B1和A2B2),沉积层韵律明显,代表末次冰期间亚冰期和鼎盛期气候有规律干湿循环变化环境下的河湖相堆积,厚约28.6m,其中中细砂层约占总量的38.8%,粘土质粉砂和粉砂层约占56.3%,粉砂质粘土层仅占4.9%;而在断裂上盘同层位地层厚度达49.9m,中细砂层含量约占42.6%,粘土质粉砂、粉砂层约占20.1%,粉砂质粘土或粘土等细粒沉积层不仅含量增加(约占37.3%),夹层层数增多,并构成了具韵律结构的多个次级沉积旋回。(3)断裂上下盘沉积物堆积速率具有同步减小的变化趋势(图3),但断裂上盘的堆积速率在任何时段都大于或等于下盘的堆积速率。在距今(0～17.5)ka的末次冰期鼎盛期后期到冰后期,断裂下盘的堆积速率保持恒定约0.4mm/a,但上盘的堆积速率偏大,且有起伏:在全新世中晚期(距今0～8ka)堆积速率约0.45mm/a,在全新世早期到晚更新世晚期(距今8～17.5ka)约0.65～1mm/a;在晚更新世晚期末次冰期鼎盛期(距今17.5～21ka)下盘的堆积速率约0.48mm/a,而上盘的堆积速率猛增到(1.39±0.2)mm/a;同样,在末次冰期鼎盛期早期及更早的间亚冰期(距今21～26ka),上盘的堆积速率约4.85mm/a,比下盘要大1.2mm/a,表明在相同的宏观沉积环境下,夏垫断裂上下盘相对的差异升降运动可引起数毫米量级的年堆积速率差异。(4)据1,2号钻孔地层剖面的地层年代学-深度对比可知(表1),夏垫断裂两侧距今10ka以来的累积垂直位移约3.4m,距今21.1ka以来约14.2m,距今25.7ka以来约19.6m,距今26ka以来约24.9m,考虑到沉积年代距今25～26ka的沉积物颗粒较粗,为含砾石中砂,局部相变的可能性最大,故认为后者的垂直位移量不太可靠;由此可得夏垫断裂全新世时期的垂直滑动速率约0.34mm/a,距今10～21ka期间的速率约0.98mm/a,距今21～26ka期间约1.2mm/a,更早时期的年代和深度资料存在更大的不确定性,很难获得有关断裂活动的定量数据。夏垫断裂上盘较下盘同时代沉积物具有厚度增大、细粒沉积物层数增多和堆积速率高等特征,标志着断裂两侧间歇性地差异升降运动可在断裂上盘形成有利于细粒沉积物堆积的局部环境,引起断裂上下盘同时代地层岩性、地层厚度或堆积速率的显著差异,这些差异直接记录了夏垫断裂两侧的垂直差异运动过程。4古地震事件序列特征4.1缘构地层学特征与断裂下盘显示的垂直位移假定夏垫断裂两盘块体之间的滑动不存在蠕滑现象,属典型的粘滑型错动,则每一次垂直粘滑错动均会在上盘(下降盘)形成有利于细粒沉积物堆积的局部环境,使下降盘短时间内的堆积速率增高,沉积物颗粒变细,或堆积厚度增加。与下盘(抬升盘)同时代层位(地层)岩性相比,下降盘沉积物颗粒非正常相变成细粒沉积层(粉砂质粘土层、粘土层等)或细粒沉积层厚度异常增大,且有一定垂直位移量发生的地层学特征可作为辨别地表破裂型古地震事件的构造地层学标志。虽然沉积碎屑物来源地差异、水流风向的改变等许多局部因素也能形成类似的地层学特征,容易与辨别地表破裂型古地震事件的构造地层学标志相混淆,但非地震地表破裂形成的地层学特征与断裂下盘同时代层位(地层)之间不存在额外的垂直位移。例如,2号钻孔埋深15.9m(距今20.9ka的层8底界或相当于1号钻孔埋深9.7m层位地层)的相变地层学特征(细粉砂层(9)→粘土层(8))和埋深13.2m(距今19.8ka的层6或相当于1号钻孔埋深7.55m层位地层)的地层学标志(中细纱(7)→粘土质粉砂层(6))在夏垫断裂两侧具有相同的累积垂直位移量约7.5～7.6m(图3),说明埋深15.9～16.5m的细粉砂层堆积后并没有立刻发生粘滑错动,相变是非地表破裂型地震因素引起的;同样,埋深分别为32.8m(层20底界)和28.5m(层17底界)的两个相变地层学特征与埋深23.3m(层15底界)的地层学标志亦具有相同的累积垂直位移量(约14.2m),说明前两个相变也是非地表破裂型地震因素引起的。因此,虽然上述辨别地表破裂型古地震的构造地层学标志具有一定的不确定性,但只要利用累积垂直位移量作为约束条件,从新到老逐一扣除每一次地表破裂型地震的同震垂直位移,复原真实的断裂作用过程,可排除或降低构造地层学标志本身的不确定性,即具有一定垂直位移量的地层学标志才代表一次地表破裂型古地震事件,且古地震事件发生在地层岩性相变(地层学标志)点上,其确切的年代可通过钻孔地层剖面上沉积相变点上下地层实测年代值作为约束,或相邻两个有效实测年龄值的线性内插获得。4.2土产地震反复阶段事件35次地表破裂型古震据辨别地表破裂型古地震事件的构造地层学标志,结合两钻孔地层剖面上同时代层位地层的垂直位移量随深度的变化、从新到老逐一扣除(古)地震同震垂直位移量,可复原断裂作用过程。在距今26ka的钻孔地层剖面上可识别出11次地表破裂型(古)地震事件(图2,3和表2),其中距地表深1.8m和3.5m出现的细粒沉积物(表土层)厚度增大或沉积相突变(粉细砂→粘土)现象(2号钻孔),分别代表距今4.2ka和7.97ka左右的两次地表破裂型古地震(事件2和3),即全新世时期共发生过3次地表破裂型地震,而不是前人利用古地震探槽揭露的1～2次古地震(夏垫断裂上距今26ka以来发生的11次地表破裂型(古)地震在时间轴上是不规则的,不同时段具有不同的复发行为(图2和3):末次冰期间亚冰期和鼎盛期(距今19.3～26ka)是夏垫断裂地表破裂型(古)地震丛状群集期(事件6～11),复发间隔较短,介于900～1900a之间,且多数仅900～1200a;末次冰期鼎盛期晚期到冰后期(距今0～19.3ka)的地表破裂型(古)地震属准周期复发模式,复发间隔明显地增长,包括公元1679年三河-平谷8级地震在内的最近5次地表破裂型(古)地震(事件1～5)的复发间隔介于3700～5800a之间。由此可见,夏垫断裂上的地表破裂型古地震并不简单地遵循周期、准周期或丛状群集复发模式,而是它们的分段叠加。这种分段叠加的复发行为与古气候环境的变迁具有很好的相关关系:地表破裂型地震的短间隔丛状群集发生在气温极度寒冷的末次冰期间亚冰期和鼎盛期,而气候逐渐回升变暖的鼎盛期晚期到冰后期地表破裂型地震属准周期复发行为。5地表破裂型古地震复发模式(1)夏垫断裂全新世时期的垂直滑动速率约0.34mm/a,距今10～21ka期间的速率约0.98mm/a,距今21～26ka期间约1.2mm/a。断裂作用(垂直运动)的强度有从末次冰期鼎盛期向冰后期减弱的趋势。(2)夏垫断裂上、下盘距今26ka以来同时代的地层岩性、沉积厚度或堆积速率等是有明显差异的,具体表现为上盘较下盘同时代沉积物具有厚度增大、细粒沉积物层数增多和堆积速率增高等地层学特征,它们客观地记录了夏垫断裂两侧的垂直差异运动过程。假定断裂无蠕滑现象,断裂两侧的垂直差异升降运动是通过粘滑错动(地表破裂型地震)实现的,则下降盘沉积物颗粒非正常相变成细粒沉积层(粉砂质粘土层、粘土层)或细粒沉积层厚度异常增大,且上下盘相关点有垂直位移发生的构造地层学特征可作为辨别地表破裂型古地震事件的构造地层学标志。这种标志的可靠程度取决于钻孔剖面岩性分层的详细程度及其年代样品测定点的疏密程度。当在钻孔地层剖面上能分辨出厚度大于0.2m以上微层,各微层有一个以上有效年代值的理想条件下,通过断裂两侧地层年代学的对比和分析,不仅可以定量地恢复断裂作用过程,识别作为粘滑错动(地表破裂型地震)这一位移突变事件,还可以定量判定作为长期平稳错动的蠕滑现象及其量值大小,最终可检验、修改、补充本文提出的识别钻孔地层剖面中地表破裂型古地震的构造地层学标志。(3)根据古地震识别的构造地层学标志,结合断裂两侧垂直位移量随深度的变化和断裂作用过程的复原,可识别出夏垫断裂距今约26ka以来共发生过11次地表破裂型(古)地震,它们具有时间分段的不规则复发行为:末次冰期间亚冰期和鼎盛期(距今19.3～26ka)的古地震服从丛集群集复发模式,复发间隔主要介于900～1200a;末次冰期鼎盛期晚期到冰后期(距今0～19.3